套种模式对顶坛花椒土壤矿质元素含量的影响

陈俊竹，容 丽,2*，熊康宁,2

(1.贵州师范大学 喀斯特研究院，贵州 贵阳 550001；2.贵州省喀斯特生态环境国家重点实验室培育基地，贵州 贵阳 550001)

【研究意义】顶坛花椒(Zanthoxylumbungeanum)具有根浅、喜光和耐旱等特征，喜好排水良好的石灰性土壤，是贵州喀斯特山区退耕还林的常见植物[1]，给花江喀斯特峡谷带来了良好的生态和经济效益。但随着种植时间的延长，近年来，花椒种植过程中不当的土地利用和管理措施造成养分输入与输出失衡，导致土壤物理、化学以及生物性质发生不同程度的衰退[1-2]，水分与养分供应难以同步，使得顶坛花椒产量与品质不同程度降低，已成为制约该地区生态产业可持续发展的关键问题。矿质元素在植物生长发育过程中具有重要的营养功能，是植物生长发育及产量形成的物质基础[3]。套种作为一种能够充分合理利用土地、光能、空气、水肥和热量等自然资源的立体种植模式，其在实现土地经济效益最大化的同时兼顾生态效益[4]。因此，花椒林不同套种模式是改良土壤的有效途径。【前人研究进展】鲍乾等[5-7]对花江喀斯特峡谷不同恢复模式土壤研究发现，花椒金银花套种林土壤的孔隙度特征、蓄水能力和抗侵蚀性能优于花椒纯林，土壤有机碳、全钾和速效钾含量更高，土壤紧实度及容重相对更低。张晓明等[8]研究认为，花椒套种后昆虫群落更稳定，具有更强的抗外界干扰和自我调节能力。檀迪[9]研究表明，花椒套种花生、金银花后的经济效益分别是花椒纯林的1.31和2.33倍。【本研究切入点】目前，针对黔中石漠化区各种生态治理模式尤其是套种模式土壤矿质元素特征的研究较少，且土壤营养元素研究方面多数都集中在碳、氮、磷和钾4个大量元素上，对其他矿质元素的研究较少，不利于黔中石漠化区生态经济型植物产品品质的调控。【拟解决的关键问题】为此，以贵州喀斯特高原花江峡谷石漠化综合治理研究区8种顶坛花椒套种模式林地土壤为研究对象，以同区顶坛花椒纯林土壤为对照，通过测定土壤中量元素、微量元素及有益元素等22种矿质元素含量，探讨不同土地利用类型的矿质元素特征，揭示其与套种模式间的潜在关系，以期为该区域生产上合理施肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

贵州喀斯特高原花江峡谷石漠化综合治理区位于贵州省安顺市贞丰县与关岭县交界处的北盘江河谷两岸(E 105°36'30″～105°46'30″，N 25°39'13″～25°41'00″)，海拔370～1473 m，地势起伏大；森林覆盖率不足30 %，喀斯特面积占88.07 %，基岩裸露率50 %～80 %；年均温18.4 ℃，年均极端最高气温32.4 ℃，极端最低气温6.6 ℃，年总积温6542.9 ℃。河谷低地冬季受花江暖湿气流影响，终年无霜，年均降雨量1100 mm，降水主要集中在5-10月，占年降雨总量的83 %，冬春温暖干旱，夏秋湿热，属半亚热带季风湿润气候。研究区土壤以石灰岩为成土母质的石灰土为主，部分为黄壤；植被以顶坛花椒、金银花(Lonicerajaponica)、香椿(Toonasinensis)、构树(Broussonetiapapyifera)、余甘子(Phyllanthusemblica)、朴树(Celtissinensis)、仙人掌(Opuntiastricta)和砂仁(Amomumvillosum)为主[5]。

1.2 土样

土壤样品27份，采自研究区域顶坛花椒与8种作物套种模式及顶坛花椒纯林模式样地0～20 cm土壤。

1.3 试验方法

1.3.1 样品采集与制备 2017年7月在研究区域调查顶坛花椒套种玉米(Zeamays)、红薯(Ipomoeabatata)、火龙果(Hylocereusundulates)、砂仁、构树、金银花、山豆根(Euchrestajaponica)和花生(Arachishypogaea) 8种套种模式，以及顶坛花椒纯林模式对照(CK)的土壤类型、坡向、坡度、坡位、海拔和盖度等样地基本情况，同一模式选取3块坡位、坡向、坡度和海拔相似的样地400 m2(20 m×20 m)，每个样地内按“S”型路线多点采集土壤样品，混合均匀后，以四分法取约1 kg后立即带回实验室。土壤剔除可见砾石、根系及动植物残体，自然风干后研磨过筛备用。

1.3.2 矿质元素的含量测定 硼(B)、砷(As)和硒(Se)按照《区域地球化学勘查规范》(DZ/T0167-2006)进行测定，硅(Si)、钙(Ca)、镁(Mg)、钠(Na)、铝(Al)、铁(Fe)、锰(Mn)、铜(Cu)、锌(Zn)、铅(Pb)、铬(Cr)、镉(Cd)、钛(Ti)、镍(Ni)、钴(Co)、锶(Sr)、钼(Mo)、氯(Cl)和硫(S)依据《多目标区域地球化学调查规范(1∶250000)》(DZ/T0258-2014)进行测定。

1.4 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 20.0对数据进行整理、统计分析，采用单因素方差分析的最小显著差异(LSD)法对土壤矿质元素含量进行差异显著性检验，并使用Origin 8.6进行制图。

2 结果与分析

2.1 土壤中量矿质元素的含量

从图1看出，顶坛花椒不同套种模式土壤中量矿质元素(Ca/Mg/S)含量的变化。Ca含量：套种玉米土壤最高，为26.79 mg/g，显著高于其余模式。Mg和S含量：顶坛花椒纯林土壤最高，分别为16.80和0.91 mg/g，均显著高于其余模式。套种火龙果土壤Ca、Mg和S含量在所有模式中均最低，分别为8.09、7.99和0.31 mg/g。除顶坛花椒套种玉米土壤Ca含量较其纯林高1.30 %外，其余套种模式与顶坛花椒纯林相比，土壤Ca、Mg和S含量均不同程度下降。

ZM为套种玉米，IB为套种红薯，HU为套种火龙果，AV为套种砂仁，BP为套种构树，LJ为套种金银花，EJ为套种山豆根，AH为套种花生，ZB为顶坛花椒纯林(CK)。不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同ZM isZea mays, IB isIpomoea batatas, HU isHylocereus undulates, AV isAmomum villosum, BP isBroussonetia papyifera, LJ isLonicera japonica, EJ isEuchresta japonica, AH isArachis hypogaea, ZB isZanthoxylum bungeanum. The different lowercase letters indicate significant of difference atP<0.05 level. The same as below图1 不同套种模式土壤中量矿质元素(Ca/Mg/S)的含量Fig.1 Concentrations of Ca, Mg and S of different interplanting patterns in soil

2.2 土壤微量矿质元素的含量

从图2可知，顶坛花椒不同套种模式土壤微量矿质元素(Fe/Mn/Cu/Zn/B/Mo/Cl)的含量变化。Fe含量：套种红薯土壤最高，为78.47 mg/g，显著高于其余模式；套种火龙果土壤最低，为44.36 mg/g，显著低于其余模式；套种玉米和火龙果土壤分别较顶坛花椒纯林低14.64 %和34.52 %，其余套种模式均较顶坛花椒纯林有所升高；其中，套种红薯土壤是顶坛花椒纯林的1.16倍。Mn含量：套种红薯土壤最高，为4.51 mg/g，显著高于其余模式；套种构树土壤最低，为1.95 mg/g，显著低于其余模式；套种砂仁、构树和山豆根土壤分别较顶坛花椒纯林降低1.35 %、31.21 %和17.63 %，其余套种模式均较顶坛花椒纯林有所升高；其中，套种红薯顶坛花椒纯林的1.60倍。Cu含量：套种玉米土壤最高，为74.00 μg/g，显著高于其余模式；套种花生土壤最低，为27.89 μg/g，与套种构树、山豆根及顶坛花椒纯林等模式差异不显著。Zn含量：套种金银花土壤最高，达261.35 μg/g，显著高于除套种砂仁外的其余模式；套种火龙果土壤最低，为98.03 μg/g，显著低于其余模式。B含量：套种山豆根土壤最高，为62.46 μg/g，与套种红薯模式差异不显著；套种玉米土壤最低，为41.53 μg/g，与套种金银花、顶坛花椒纯林模式差异不显著。Mo含量：套种玉米土壤最高，为5.73 μg/g，显著高于其余模式；套种山豆根土壤最低，为1.34 μg/g，显著低于除套种砂仁外的其余模式。Cl含量：套种金银花土壤最高，为0.24 mg/g，与套种砂仁土壤差异不显著；顶坛花椒纯林土壤最低，为0.08 mg/g；显著低于其余套种模式。

图2 不同套种模式土壤微量矿质元素(Fe/Mn/Cu/Zn/B/Mo/Cl)的含量Fig.2 Concentrations of Fe, Mn, Cu, Zn, B, Mo and Cl of different interplanting patterns in soil

2.3 土壤有益矿质元素的含量

从图3看出，顶坛花椒不同套种模式土壤有益矿质元素(Si/Co/Ni/Na/Se/Al)的含量变化。Si含量：套种火龙果土壤最高，为296.71 mg/g，显著高于其余模式；顶坛花椒纯林土壤最低，为201.63 mg/g，与其余套种模式间差异显著。Co含量：套种构树土壤最高，为32.23 μg/g；套种金银花土壤最低，为26.54 μg/g；与其余套种模式间差异均不显著。Ni含量：套种玉米土壤最高，为102.77 μg/g，显著高于除套种构树外的其余模式；套种火龙果土壤最低，为62.44 μg/g，显著低于其余模式。Na含量：不同套种模式间土壤为1.28～1.67 mg/g，平均1.47 mg/g；其中套种花生较顶坛花椒纯林降低15.37 %。Se含量：套种玉米土壤最高，为0.95 μg/g，显著高于其余模式；套种火龙果土壤最低，为0.49 μg/g，显著低于套种金银花和山豆根外的其余模式。Al含量：套种构树土壤最高，为130.34 mg/g，与其余套种模式间均差异显著；套种火龙果土壤最低，为82.03 mg/g，显著低于其余模式。总体上看，大部分套种模式土壤Si、Co、Ni和Al含量较顶坛花椒纯林均有不同程度的升高，而Na和Se含量均有不同程度的降低。

2.4 土壤其他矿质元素的含量

从图4看出，顶坛花椒不同套种模式土壤其他矿质元素(As/Pb/Cr/Cd/Ti/Sr)含量的变化。As含量：套种构树土壤最高，为46.37μg/g，与套种玉米、火龙果、金银花和山豆根模式差异显著；套种火龙果土壤最低，为15.82 μg/g，显著低于其余模式；套种构树和花生土壤较顶坛花椒纯林分别高4.64 %和3.14 %。Pb含量：套种金银花土壤最高，为69.11 μg/g，显著高于套种玉米、火龙果和山豆根模式；套种玉米土壤最低，为43.94 μg/g，显著低于除套种火龙果的其余模式。Cr含量：套种砂仁土壤最高，为222.40 μg/g，显著高于套种玉米、火龙果、金银花、花生和顶坛花椒纯林；套种火龙果土壤最低，为93.30 μg/g，显著低于其余模式；套种玉米和火龙果土壤较顶坛花椒纯林分别降低21.20 %和41.35 %。Cd含量：套种砂仁土壤最高，为3.13 μg/g，显著高于其余模式；套种火龙果土壤最低，为1.37 μg/g，均低于除套种构树外的其余模式；套种火龙果和构树土壤较顶坛花椒纯林分别降低28.72 %和27.15 %。Ti含量：套种花生土壤最高，为9.02 mg/g，显著高于其余模式；套种玉米土壤最低，为4.17 mg/g，显著低于其余模式。Sr含量：套种玉米土壤最高，为101.64 μg/g，显著高于其余模式；套种花生土壤最低，为53.78 μg/g，显著低于其余模式；套种玉米、红薯和构树土壤较顶坛花椒纯林分别升高69.37 %、1.48 %和5.30 %；套种火龙果、砂仁、金银花、山豆根和花生土壤较顶坛花椒纯林分别降低2.62 %、3.75 %、4.48 %、3.38 %和10.38 %。

图3 不同套种模式土壤有益矿质元素(Si/Co/Ni/Na/Se/Al)的含量Fig.3 Concentrations of Si, Co, Ni, Na, Se and Al of different interplanting patterns in soil

图4 不同套种模式土壤其他矿质元素(As/Pb/Cr/Cd/Ti/Sr)的含量Fig.4 Concentrations of As, Pb, Cr, Cd, Ti and Sr of different interplanting patterns in soil

3 讨 论

3.1 不同套种模式矿质元素的含量特征

黔中石漠化区顶坛花椒不同套种模式土壤Ca、Mg和S含量与贵州遵义虾子喀斯特中等发育区土壤、黔中花溪党武喀斯特强烈发育区土壤和黔西南安龙木咱喀斯特较强发育区土壤[10]，3个岩溶自然保护区原始林地土壤[11]，湖南张家界典型植烟土壤[12]，以及中国和世界土壤元素含量中值相比均处于较高水平。研究区土壤Ca含量丰富，与喀斯特强烈发育区域中分布广泛的石灰性土壤Ca含量丰富的实际相符[13]。Ca、Mg和S是作物生长发育所必需的营养元素，对作物生长发育及新陈代谢起着不可替代的作用。其中，S作为继N、P和K之后的第4位营养元素，在参与蛋白质、氨基酸和叶绿素形成，控制光合作用中碳水化合物代谢、影响植物呼吸作用和抗逆性等生物地球化学过程中扮演着重要角色[14]。我国不同类型土壤S含量为0.10～0.50 mg/g[15]，与此相比，研究区土壤S含量较为丰富。充足的S肥在维持作物高产的同时还提高作物体内的S含量[16]。此外，S对于植物抵抗重金属的毒性十分重要，土壤中的S直接或间接影响重金属的有效性、活性以及植物吸收累积量，而植物吸收S后经过一系列代谢产生的植物螯合素和金属硫蛋白等含S化合物可与植物中的重金属形成毒性较低的络合物，从而降低重金属对植物的毒性[17]。研究区丰富的S含量在提高作物的产量和降低作物中重金属含量的同时，还对提高其品质具有不可忽视的作用。

研究区土壤Fe、Mn、B和Cl含量与3个贵州典型喀斯特区土壤[10]，3个受人类活动干扰相对较少的岩溶区原始林地土壤[11]，湖南张家界典型植烟土壤[12]，以及中国和世界土壤元素中值相比也处于较高的水平。土壤中丰富的Fe含量有助于植物产生叶绿素，也有利于植物体内氧化还原过程和碳水化合物的合成[18]。同时，Fe作为磷酸蔗糖的活化剂，影响蔗糖的形成[19]，故研究区土壤中丰富的Fe含量对保证火龙果果实的品质具有重要作用。而土壤中丰富的Mn含量不仅有助于提高植物的呼吸强度，促进碳水化合物的水解，同时，其也调节植物体内氧化还原过程，对植物平衡比例吸收Fe十分重要[18]。土壤Cu含量高于张家界典型植烟土壤[12]，以及中国和世界土壤Cu含量中值[13]，但与贵州典型喀斯特区土壤[10]及3个受人类活动干扰相对较少的岩溶区原始林地土壤[11]相比其含量相对较少。Cu的主要作用包括增强植物光合作用以有利于其生长，增强植物抗病、抗寒、抗旱、抗热等能力[20]。为适应研究区干热的气候，植物需要不断的补充Cu素，这可能是研究区土壤Cu含量较低的原因之一，故在农业生产中可考虑适当添加Cu肥。土壤Zn含量均高于贵州3个典型喀斯特区土壤[10]，湖南张家界典型植烟土壤[12]，以及中国和世界土壤Zn含量中值[13]，但与3个受人类活动干扰相对较少的岩溶区原始林地土壤[11]相比，Zn含量相对较低，表明土壤Zn含量与人类活动干扰存在一定的关系。研究区土壤Mo含量在国内处于较低水平，Mo参与共生性生物固氮及蛋白质的合成，其还能增进光合作用的强度，而研究区部分作物出现叶片呈黄绿色，叶缘坏死及叶生长畸形现象可能是Mo含量较低的原因之一[18]，在生产过程中应注意适量补充Mo肥。

黔中石漠化区顶坛花椒不同套种模式土壤除Co含量低于黔中花溪党武喀斯特强烈发育区土壤[10]及中国土壤Co含量中值外，其Co、Ni和Se含量均高于其余研究区域。我国土壤Co含量水平较世界高，而研究区土壤Co含量在国内处于较低水平。Co作为固氮根瘤组织中形成血红朊的必需物质维生素B12的成分之一，其影响着植物体内氮的代谢，土壤中Co含量较低可能会造成作物生长发育受阻，叶片失绿，叶缘卷曲，叶片向上弯曲、凋萎以致坏死等不良现象[18]。而我国土壤缺Se严重，只有极少部分地区土壤Se含量较高[21]。研究区土壤Se含量相对较高，能在增强植物抗氧化性的同时提高植物对环境的胁迫抗性[22]，此外，Se与Cd、Cr、Hg、Pb和As等重金属元素有拮抗作用，可增强植物对重金属的抗性、降低重金属在植物体内富集[23]，是提高农作物产量与品质非常重要的营养元素之一。研究区土壤Si、Na和Al含量[10]低于湖南张家界典型植烟土壤[12]，以及中国和世界土壤元素含量中值，贵州喀斯特区土壤Si、Na和Al含量较低。土壤微量元素主要来源于成土母质，其含量和分布也与母岩密切相关[11]。研究区土壤Si、Co、Na和Al含量较低， Ni和Se含量较高，可能与石灰岩的风化存在一定关系。

黔中石漠化区顶坛花椒不同套种模式土壤As、Pb、Cr、Cd、Ti和Sr含量均值分别为36.93 μg/g、59.59 μg/g、176.19 μg/g、2.27 μg/g、7.49 mg/g和63.44 μg/g。按国家《食用农产品产地环境质量评价标准》(HJ/T 332-2006)要求，研究区不同模式土壤除As和Cd含量可能存在超标现象外，土壤Pb和Cr含量远低于标准值。As和Cd含量过高会引起植物的氧化应激，抑制植物光合作用的同时，还抑制植物对Zn、Se、Fe、Cu和Mg元素的吸收，致使农作物缺乏营养物质[24]。土壤As含量较高可能与研究区成土母质大部分为石灰岩有关。有研究表明，石灰岩中As平均背景值高于其他砂页岩、河流冲击物、洪积物、花岗岩和紫色岩等[25]。研究区土壤Ti含量较贵州遵义虾子喀斯特中等发育区(9.39 mg/g)、黔中花溪党武喀斯特强烈发育区(11.93 mg/g)和黔西南安龙木咱喀斯特较强发育区(10.10 mg/g)[10]低。目前，有关土壤重金属的研究较少关注土壤Ti，这是因为Ti在土壤中可溶性含量较低，通常被认为毒性较低[26]。虽然一定浓度的Ti对作物生长发育、产量和品质等均有较好的促进作用，但一旦超过适宜的范围，土壤重金属对环境的危害会随着土壤中重金属含量的增大而增大。所以土壤中较低的Ti含量有利于降低其危害作物的风险。研究区土壤Sr含量略高于湖南张家界典型植烟土壤Sr含量(63.04 μg/g)，但低于中国土壤Sr含量均值(121.00 μg/g)及世界土壤Sr含量中值(250.00 μg/g)[13]，其Sr含量在国内甚至世界均处于较低水平。有研究显示，Sr能与土壤酶蛋白的关键基团和配位键结合或者胁迫微生物减少体内酶的合成和分泌，从而降低土壤酶的活性，最终影响土壤的生态功能以及土壤养分转化进程的强度和方向，适量的土壤Sr含量有利于土壤生态系统中生物化学过程的进行[27-28]。

3.2 不同套种模式的土壤质量优化策略

顶坛花椒套种红薯、砂仁和金银花与顶坛花椒纯林相比，土壤Ca、Mg、S、Na和Se 等6种矿质元素含量呈不同程度下降趋势，Fe、Mn、Cu、B、Cl、Si、Ni和Al等10种矿质元素含量呈不同程度升高趋势。Ca、Mg、S、Na和Se等元素可能是红薯、砂仁及金银花在生长发育过程中需求量较大的元素，在相应的农业生产活动中应适当补充相应矿质元素肥料。套种玉米、构树和花生土壤Mg、S和Na等共7种矿质元素含量呈不同程度下降趋势，Cl、Si、Co和Ni等9种矿质元素含量呈不同程度升高趋势。为避免对土壤Mg、S和Na等矿质元素过度消耗，套种玉米、构树和花生时应适当补充相应矿质元素肥料。套种山豆根和火龙果与花椒纯林相比，土壤Ca、Mg、S、Zn、Na和Se等矿质元素含量均呈一定程度下降趋势，土壤Cu、B、Cl、Si和Co等矿质元素呈不同程度升高趋势。套种作物较单一种植模式而言，能有效提高部分土壤微量元素的含量，可能是套种产生的凋落物归还量能够使得部分土壤微量元素增长的原因之一。

套种火龙果土壤As、Pb、Cr、Cd、Ti和Sr含量均较顶坛花椒纯林有所降低，其余套种模式部分重金属含量呈不同程度上升趋势。可能与当地农业生产过程中大量使用农药和化肥有关，顶坛花椒林中套种其他作物后，对农药及化肥的使用量也随作物种类的增加而相应增加，这也是重金属进入土壤的渠道之一[29]。与顶坛花椒纯林模式相比，套种火龙果模式能有效降低土壤As、Pb、Cr、Cd、Ti和Sr含量，表明，火龙果可能对这些元素具有一定的富集作用，套种火龙果模式应避免过量使用农药和化肥，以保证其品质。

4 结 论

与其他研究区域相比，黔中石漠化区不同套种模式顶坛花椒土壤Ca、Mg、S、Fe、Mn、B、Cl、Ni和Se含量较高，而土壤Cu、Zn、Mo、Co、Si、Na和Al含量较低，可能是下一步施肥提高研究区作物品质应注意的方向。在顶坛花椒林套种其他植物或作物后，很大程度提高部分土壤中量及微量元素含量，但套种红薯、砂仁和金银花模式加大了对土壤Ca、Mg、S、Na和Se含量的消耗，套种玉米、构树及花生模式则加大了对土壤Mg、S和Na含量的消耗，在农业生产上应适当进行相应的补充。花椒套种火龙果模式可能对土壤As、Pb、Cr、Cd、Ti和Sr含量具有一定的富集作用，具体原因还有待于进一步深入研究。